Uma nova investigação revelou que o “ADN aleatório” é transcrito activamente em leveduras, mas permanece largamente inactivo em células de mamíferos, embora ambos os organismos partilhem um ancestral comum e uma maquinaria molecular. Este estudo envolveu a introdução de um gene sintético em ordem inversa em células-tronco de levedura e de camundongo, revelando diferenças significativas na atividade transcricional. Os resultados indicam que enquanto as células de levedura transcrevem quase todos os genes, as células de mamíferos reprimem naturalmente a transcrição. Esta investigação não só desafia a nossa compreensão da transcrição genética entre espécies, mas também tem implicações para o futuro da engenharia genética e para a descoberta de novos genes.
Um novo estudo revela que em fungos unicelulares a levedura é “aleatória”. ADN“Naturalmente activo, enquanto nas células de mamíferos, este ADN é desligado como o seu estado natural nas células de mamíferos, apesar de ter um ancestral comum há mil milhões de anos e a mesma maquinaria molecular básica.
A nova descoberta gira em torno do processo pelo qual as instruções genéticas do DNA são primeiro convertidas em uma substância relacionada chamada… ARN E depois às proteínas que constituem as estruturas e sinais do corpo. Em leveduras, camundongos e humanos, ocorre o primeiro passo na expressão gênica, a transcrição, na qual as “letras” moleculares do DNA (nucleobases) são lidas em uma direção. Embora 80% do genoma humano – toda a colecção de ADN nas nossas células – seja activamente descodificado em ARN, menos de 2% dele codifica realmente os genes que dirigem a construção de proteínas.
Um mistério de longa data na genômica é o que toda essa transcrição não relacionada a genes realiza. É apenas ruído, um efeito colateral da evolução, ou tem funções?
Uma equipa de investigação da NYU Langone Health procurou responder a esta questão criando um grande gene sintético, com o seu código de ADN na ordem inversa do seu progenitor natural. Eles então inseriram genes sintéticos em células-tronco de levedura e de camundongo e monitoraram os níveis de transcritos em cada uma delas. Publicado na revista natureza, O novo estudo revela que na levedura o sistema genético está sintonizado para que quase todos os genes sejam continuamente transcritos, enquanto nas células de mamíferos o mesmo “estado padrão” é desligar a transcrição.
Metodologia e resultados
Curiosamente, dizem os autores do estudo, a ordem inversa do código significava que todos os mecanismos que evoluíram nas células de levedura e de mamíferos para ativar ou desativar a transcrição estavam ausentes porque o código reverso não fazia sentido. No entanto, tal como uma imagem espelhada, o código invertido reflecte alguns dos padrões básicos que aparecem no código natural em termos da frequência com que as letras do ADN estão presentes, do que estão próximas e com que frequência são repetidas. Como o código reverso tem 100.000 letras moleculares, a equipe descobriu que ele incluía aleatoriamente muitos pequenos trechos de código até então desconhecido que provavelmente iniciavam a transcrição com mais frequência em leveduras e a interrompiam em células de mamíferos.
“Compreender as diferenças das versões virtuais entre Classificar “A genética nos ajudará a entender melhor quais partes do código genético têm funções e quais são os acidentes evolutivos”, disse o autor correspondente Jeff Buckey, Ph.D., diretor do Instituto de Genética da NYU Langone Health. “Isto, por sua vez, promete orientar a engenharia de leveduras para produzir novos medicamentos, criar novas terapias genéticas ou até mesmo ajudar-nos a encontrar novos genes enterrados no enorme código.”
Este trabalho dá peso à teoria de que o estado transcricional muito ativo da levedura é tão afinado que o DNA estranho raramente é injetado na levedura, por exemplo, por vírus Como ele se copia, é mais provável que seja transcrito em RNA. Se este RNA construir uma proteína com uma função útil, o código será preservado através da evolução como um novo gene. Ao contrário do organismo unicelular da levedura, que pode permitir novos genes arriscados que impulsionam a evolução mais rapidamente, as células dos mamíferos, como parte de corpos que contêm milhões de células cooperantes, são menos livres para incorporar novo ADN sempre que a célula encontra um vírus. Vários mecanismos regulatórios protegem o código cuidadosamente equilibrado tal como ele é.
Grande ADN
O novo estudo teve que levar em conta o tamanho das cadeias de DNA, já que existem 3 bilhões de “letras” no genoma humano, e alguns genes têm 2 milhões de letras. Embora as técnicas populares permitam que alterações sejam feitas letra por letra, algumas tarefas de engenharia são mais eficientes se os investigadores construírem ADN a partir do zero, fazendo alterações de longo alcance em grandes porções de código pré-compilado e substituindo-o numa célula em vez do seu equivalente natural. Como os genes humanos são tão complexos, o laboratório de Bucky desenvolveu pela primeira vez a abordagem de “tipagem do genoma” em leveduras, mas recentemente modificou-a para corresponder ao código genético dos mamíferos. Os autores do estudo usam células de levedura para montar longas sequências de DNA em uma única etapa e, em seguida, transferi-las para células-tronco embrionárias de camundongos.
Para o estudo atual, a equipe de pesquisa abordou a questão da extensão da propagação transcricional ao longo da evolução, introduzindo um trecho sintético de 101 quilobases de DNA modificado – o gene humano da hipoxantina fosforibosiltransferase 1 (HPRT1) em ordem de codificação reversa. Eles observaram uma atividade generalizada do gene na levedura, apesar da falta de código sem sentido para os promotores, que são fragmentos de DNA que evoluíram para sinalizar o início da transcrição.
Além disso, a equipe identificou pequenas sequências no código reverso, trechos repetitivos de blocos de construção de adenosina e timina, que são conhecidos por serem reconhecidos por fatores de transcrição, que são proteínas que se ligam ao DNA para iniciar a transcrição. Tais sequências, que têm apenas 5 a 15 letras, podem facilmente ocorrer aleatoriamente e podem explicar parcialmente o estado padrão altamente ativo da levedura, disseram os autores.
Pelo contrário, o mesmo símbolo é invertido, inserido no genoma de células-tronco embrionárias de camundongos, não causou transcrição extensa. Nesse cenário, a transcrição foi reprimida, embora os dinucleotídeos CpG avançados, conhecidos por parar (silenciar) genes, não fossem eficazes no código reverso. A equipa acredita que outros elementos essenciais no genoma dos mamíferos podem restringir a transcrição muito mais do que na levedura, talvez recrutando directamente um complexo proteico (o complexo multi-CD) conhecido pelo silenciamento de genes.
“Quanto mais perto chegarmos da introdução do 'valor do genoma' do DNA sem sentido nas células vivas, melhor elas poderão compará-lo com o genoma real em evolução”, disse o primeiro autor Brendan Camillato, um estudante de pós-graduação no laboratório de Buckey. “Isso pode nos levar a novas fronteiras de terapias celulares projetadas, já que a capacidade de inserir DNA sintético cada vez mais longo permite uma melhor compreensão do que os genomas inseridos irão tolerar e, potencialmente, a inclusão de um ou mais genes maiores e totalmente modificados. ”
Referência: “Sequências sintéticas invertidas revelam estados genômicos putativos” por Brendan R. Camellato, Ran Brosh e Hannah J. Ash e Matthew T. Morano e Jeff D. Bucky, 6 de março de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2